研究报告

这篇文章是关于一种创新性的木基复合相变材料（Composite Phase Change Materials，简称CPCMs）的科研报告，研究由Yuhui Chen、Yang Meng、Xinxin Sheng以及Delong Xie等学者展开，分别隶属于云南昆明理工大学、广东工业大学和西北工业大学等机构，并于2024年发表于期刊《Nano-Micro Letters》。下面将以总结形式详细介绍本研究的科学背景、研究设计、实验流程、研究结果以及其科学价值与创新性。

一、研究背景及科学意义

科学领域与研究动机

相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因其在能源储存与转化中的独特优势，近年来受到了广泛关注。这种材料能够通过相变过程（固-液或液-固）实现热能的吸收与释放，从而解决太阳能等可再生能源利用中间歇性、波动性及低效性的问题。然而，有机固-液相变材料在实际应用中面临一系列挑战，包括容易泄漏、热导率低、太阳能热转化效率不佳且易燃性高等限制。

为了解决上述限制，研究者提出了一种基于天然木材的复合相变材料，该材料通过环保友好的合成工艺制造，结合了木材气凝胶的各向异性（anistropy）与多孔结构，以支持聚乙二醇（PEG）的封装，同时引入了MXene（二维过渡金属碳化物）与植酸（Phytic Acid, PA）的混合修饰结构来增强导热性、光吸收能力和阻燃效果。研究的目标是在解决相变材料主要问题的同时，开发一种具有高效储存、热稳定性及多功能性的先进复合材料。

二、实验设计及研究流程

该研究通过多个实验阶段和自主开发的实验技术，完成了对木基复合相变材料的开发与性能评估。

1. 制备木材气凝胶（Wood Aerogel）：

   • 研究使用轻质的巴尔萨木（Balsa wood）作为原材料，这种木材天然具有蜂窝状毛细孔结构（毛细管直径约10 μm），是一种优秀的封装基底材料。
   • 首先通过酸性次氯酸钠溶液处理原木材，去除木质素（Lignin）而保留半纤维素（Hemicellulose），以提高孔隙的渗透性并暴露出更多的羟基（-OH）。
   • 经过冷冻干燥后，得到多孔轻质的木材气凝胶（Density下降约40%），即处理后的巴尔萨木（DW）。

2. MXene/PA混合修饰：

   • 使用蚀刻法从MAX相(Ti3AlC2)中去除铝层制得MXene (Ti3C2Tx)纳米片，通过超声分离制得单层或少层的二维薄片（片宽0.4-1.0 μm，厚度3.3-3.7 nm）。
   • 植酸利用其多羟基特性增强MXene纳米片与木材微孔网络的结合，通过蒸发诱导自组装（Evaporation-Induced Assembly）将MXene纳米片沉积在气凝胶表面，形成连续的MXene/PA纳米功能层结构。

3. PEG浸渍与CPCMs制备：

   • 通过真空浸渍法，将聚乙二醇（PEG）引入到不同修饰程度的木材气凝胶框架中（无修饰DW、2% MXene修饰、10% MXene修饰等）。
   • 通过80°C下的漏液实验验证PEG的封装能力，并确保其在高温储热过程中没有泄漏。

4. 性能分析：

   • 使用DSC（差示扫描量热法）测量CPCMs的相变潜热及相变温度，量化其储热性能。
   • 热导率测试评估材料在纵向和径向的热传导能力。
   • 微燃烧量热仪（MCC）及垂直燃烧试验分析材料的阻燃性能。
   • UV-VIS分光光度计与模拟太阳能实验，研究太阳能-热能转化效率。
   • 电磁屏蔽实验评估材料在X波段的EMI屏蔽效能。

三、研究结果与主要发现

1. 封装与热稳定性能：

   • 相比未经修饰木材的CPCMs，MXene/PA修饰的复合材料展示了更高的PEG封装能力和优异的形态稳定性。在80°C环境下，PEG能有效地被木材气凝胶框架支撑而不泄漏。
   • PEG封装率超过91.5%，并在200次加热-冷却循环测试中表现出良好的相变温度稳定性（熔化点49.2°C，降温点33.8°C），潜热几乎无显著下降。

2. 导热性能改进：

   • 经10% MXene修饰的CPCMs在纵向和径向的导热率分别达到0.82 W/m·K和0.41 W/m·K（远超纯PEG，约4.6倍提升），得益于有序的一维热传导路径和MXene高导热性。

3. 阻燃性能：

   • 嵌入MXene/PA混合修饰结构的CPCMs展现了显著的阻燃性。微燃烧实验表明，其峰值热释放速率（PHRR）和总热释放量（THR）分别减少了约37.43%和36.28%。燃烧后形成了致密的碳化保护层，有效阻止燃烧气体与热量的传导。

4. 光热转换效率：

   • UV-VIS测试发现引入10% MXene后，材料在可见光波段吸收率高达98%，并具有达91.4°C的光热转化温升能力。
   • 太阳能-热能转换与储存效率高达98.58%，是此类材料目前的领先水平。

5. 电磁屏蔽性能：

   • 在X波段（8.2-12.4 GHz），含10% MXene的CPCMs展示了44.45 dB的电磁干扰屏蔽效能（SE），超越商业要求，屏蔽机制以吸收为主（87.9%）。

四、研究结论与科学意义

本研究开发了一种创新的木基复合相变材料（CPCMs），通过MXene/PA的协同修饰工艺，大幅度提升了PEG的储能密度、导热性、阻燃性及光热转换能力。同时，这些木基CPCMs在储热稳定性及耐用性上表现优异，为太阳能-热能-电能转换的实际应用提供了新型材料解决方案。

在环境友好性、多功能集成及低成本可制造性方面，该研究展示了“自然结构激发人工材料设计”的潜力，不仅拓展了太阳能资源高效利用的新方向，还为规范化储能与功能性材料行业提供了重要参考。

五、亮点与创新性

1. 融合天然木材的各向异性结构与MXene纳米片的高性能修饰，首次制备出具有多功能性和高热性能的木基复合相变材料。
2. 材料同时具备热能高效储存、阻燃、电磁屏蔽及光能-热能高效转化性能，展现出广泛的实际应用潜力。
3. 制备过程简单环保，无需复杂工艺或有毒试剂，符合可持续发展的研究趋势。

这篇论文的研究成果为能源管理、绿色储能以及新能源技术领域提供了重要理论基础和技术参考，具有显著的学术和实际工程意义。